Ứng dụng hệ thông tin địa lý đánh giá tính dễ bị tổn thương của các hệ sinh thái đới bờ biển thành phố Hải Phòng

Nghiên cứu đã xây dựng bộ chỉ số đánh giá tính dễ bị tổn thương của hệ sinh thái trên cơ sở nghiên cứu điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội có ảnh hưởng mạnh đến môi trường sống của các

11

Ứng dụng hệ thông tin địa lý đánh giá tính dễ bị tổn thương của các hệ sinh thái đới bờ biển thành phố Hải Phòng

Phạm Xuân Cảnh*, Nguyễn Ngọc Thạch, Nguyễn Hiệu,

Đoàn Thu Phương, Bùi Thị Hằng

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam

Nhận ngày 24 tháng 7 năm 2017 Chỉnh sửa ngày 31 tháng 7 năm 2017; Chấp nhận đăng ngày 22 tháng 9 năm 2017

Tóm tắt: Đới bờ biển thành phố Hải Phòng là nơi tập trung các hoạt động phát triển kinh tế với

nhiều khu công nghiệp và cảng biển gây ảnh hưởng trực tiếp đến không gian và môi trường sống của các hệ sinh thái Đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu như gia tăng nhiệt độ và mực nước biển dâng thì các hệ sinh thái nơi đây là những đối tượng có nguy cơ bị tổn thương cao Đánh giá tính dễ bị tổn thương của các hệ sinh thái có ý nghĩa quan trọng nhằm phát hiện ra nguy cơ suy giảm hệ sinh thái trong tương lai, từ đó đưa ra những giải pháp kịp thời để bảo tồn và phục hồi chúng

Nghiên cứu đã xây dựng bộ chỉ số đánh giá tính dễ bị tổn thương của hệ sinh thái trên cơ sở nghiên cứu điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội có ảnh hưởng mạnh đến môi trường sống của các hệ sinh thái, được chia thành ba nhóm chỉ số: độ nhạy cảm, độ phơi nhiễm và khả năng thích ứng Các chỉ số này được chuẩn hóa, tính toán thông qua các công cụ GIS để thành lập bản đồ đánh giá tính dễ bị tổn thương của các hệ sinh thái, từ đó xác định được không gian phân bố mức độ tổn thương của các hệ sinh thái được chia thành năm mức: rất thấp, thấp, trung bình, cao, rất cao

Từ khóa: Tính dễ bị tổn thương, độ nhạy cảm, độ phơi nhiễm, khả năng thích ứng, hệ sinh thái

1 Mở đầu

Với lợi thế nguồn tài nguyên phong phú và

đa dạng, cùng hệ thống hạ tầng giao thông

thuận tiện, đới bờ biển đã được con người khai

phá từ lâu, trở thành nơi có mật độ dân số cao

[1] Cùng với đó, đới bờ biển cũng là nơi chứa

đựng các hệ sinh thái (HST) có năng suất và độ

đa dạng sinh học cao như hệ sinh thái rừng

ngập mặn, hệ sinh thái thảm cỏ biển, hệ sinh

thái rạn san hô Các hệ sinh thái này có ý

nghĩa quan trọng đối với môi trường và con

_

Tác giả liên hệ ĐT.: 84-948989688

Email: phamxuancanh@hus.edu.vn

https://doi.org/10.25073/2588-1094/vnuees.4115

người như điều hòa vi khí hậu, cung cấp dược liệu, gỗ, cung cấp nguồn thủy hải sản, và là nơi

cư trú của nhiều loài chim, thú và các loài động vật quý hiếm…[2]

Khu vực ven biển thành phố Hải Phòng có nhiều hệ sinh thái chịu ảnh hưởng trực tiếp của vùng cảng Hải Phòng, đó là các hệ sinh thái nông nghiệp, hệ sinh thái đô thị hay các hệ sinh thái biển như rừng ngập mặn, cỏ biển, rạn san hô…

Các hệ sinh thái trong lục địa ở đới bờ biển thành phố Hải Phòng biến động nhanh do phát triển kinh tế và đô thị hóa, phản ánh sự tăng trưởng kinh tế của Hải Phòng Hệ sinh thái rừng ngập mặn phân bố ở vùng cửa sông hình phễu

Bạch Đằng, bãi triều Phù Long, Cát Hải và Đồ

Sơn [3] với diện tích lớn nhưng khoảng 1.000ha

đã bị phá hủy để phát triển nông nghiệp Hiện

tại, tổng diện tích rừng ngập mặn ở Hải Phòng

vào khoảng 600ha, trong đó có 200ha ở huyện

Cát Hải [4] Hệ sinh thái cỏ biển có 4 loài ưu

thế tập trung trên diện tích lớn ở Cát Hải, Đình

Vũ và Tràng Cát Tuy nhiên, hầu hết các thảm

cỏ biển ở Đình Vũ đã bị phá hủy nhường chỗ

cho các hoạt động xây dựng cơ sở hạ tầng Hệ

sinh thái đáy biển bùn cát gồm các vùng dưới

triều và vùng triều không có rừng ngập mặn với

tổng diện tích 73.320 ha [5] Đây là bãi giống

tôm, ghẹ, và nhiều loài cá biển cũng đang bị

suy giảm nghiêm trọng về cả số lượng và chất

lượng Vì vậy, việc nghiên cứu đánh giá tính dễ

bị tổn thương của các hệ sinh thái ở đới bờ biển

Thành phố Hải Phòng là cần thiết nhằm phát

hiện ra nguy cơ suy giảm hệ sinh thái trong

tương lai, từ đó đưa ra những giải pháp kịp thời

để bảo tồn và phục hồi chúng

Trên cơ sở tham khảo các hệ thống phân chia các HST ở các quy mô từ lớn đến nhỏ của các tổ chức và cá nhân như: Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ USGS, Tổ chức Giáo dục, Khoa học và Văn hóa của Liên hiệp quốc UNESCO (1973), Phân loại Thảm thực vật Quốc gia Hoa

Kỳ, phân loại đất ngập nước theo Công ước RAMSAR, các hệ thống phân loại của Nguyễn Chu Hồi (2012), Vũ Trung Tạng (2004) [6], nhóm nghiên cứu đã xác định các tiêu chí phù hợp để phân chia các HST trong khu vực Các tiêu chí theo thứ tự ưu tiên đó là: 1 Ảnh hưởng của thủy triều (không ngập triều/có ngập triều);

2 Thực vật phủ (bề mặt có lớp phủ thực vật/không có lớp phủ thực vật); 3 Đặc điểm nền trầm tích (sét, bùn, cát, rạn đá) Dựa trên các tiêu chí đã chọn, đới bờ biển thành phố Hải Phòng được xác định có 14 HST (hình 1)

Hình 1 Bản đồ phân bố các hệ sinh thái đới bờ biển thành phố Hải Phòng

2 Cơ sở khoa học và phương pháp đánh giá

tính dễ bị tổn thương

2.1 Khái niệm và hợp phần của tính dễ bị tổn

thương

Từ năm 1979 đến nay, định nghĩa về tính dẽ

bị tổn thương đã được nghiên cứu và phát triển

bởi như tác giả tiêu biểu như: Gabor (1979) [7],

Timmerman (1981) [8], Alexander (1991) [9],

Watt và Bohle (1993) [10], Cutter et al (2000)

[11], Downing (2001) [12], Fekete (2009) [13],

Joanne Linnerooth Bayer (2010) [14] Mặc dù

có rất nhiều cách tiếp cận khác nhau trong

nghiên cứu tính dễ bị tổn thương, nhưng điểm

chung giữa chúng là: tính dễ bị tổn thương

thường được định nghĩa là sự cấu thành của 3

thành tố: độ phơi nhiễm, độ nhạy cảm với các

sức ép bên ngoài, và khả năng thích ứng

Hiện nay, có rất nhiều nghiên cứu sử dụng

khái niệm tính dễ bị tổn thương của Ủy ban

Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC)

[15-17] Khái niệm này phù hợp trong bối cảnh

biến đổi khí hậu toàn cầu và được công thức

hóa như sau:

V = f (E, S, AC) (1)

Trong đó:

- Độ phơi nhiễm (E) có thể được hiểu là

những hiểm họa trực tiếp (ví dụ như sức ép),

bản chất và quy mô của các thay đổi của các

dao động khí hậu của một vùng (ví dụ như nhiệt

độ, lượng mưa, các hiện tượng thời tiết cực

đoan )

- Độ nhạy cảm (S) thể hiện điều kiện môi

trường xã hội có thể làm cho các tai biến trở

nên trầm trọng hơn hoặc làm giảm nhẹ nó

- Khả năng thích ứng (AC) thể hiện khả

năng áp dụng các giải pháp thích ứng giúp ngăn

chặn các tác động tiềm tàng

2.2 Phương pháp đánh giá tính dễ bị tổn

thương

a Cách tiếp cận

Hình 2 Mô hình tổn thương theo tiếp cận

không gian [15-17]

Nghiên cứu này sử dụng cách tiếp cận theo không gian (spatial approach) với sự trợ giúp của hệ thông tin địa lý (GIS) Nghĩa là tất cả các loại số liệu thống kê về định lượng hoặc định tính được thể hiện và biểu diễn bằng không gian trên bản đồ (các loại số liệu về tự nhiên, kinh tế

- xã hội) Tính dễ bị tổn thương được xác định thông qua các tiêu chí như: độ phơi nhiễm, tính nhạy cảm, khả năng chống chịu phản ánh các đặc tính tự nhiên, kinh tế - xã hội hoặc chi tiết đến các yếu tố phản ánh tình trạng tổn thương trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, thủy sản…

b Phương pháp chuẩn hóa các biến

Các biến giá trị được hiểu là một đại lượng được đưa vào trong một công thức toán học để tính toán cho một giá trị cần tìm Việc lựa chọn các biến trong việc đánh giá tính dễ bị tổn thương phụ thuộc vào lý thuyết và phương pháp tiếp cận kết hợp với ý kiến chuyên gia Các biến chọn khác nhau sẽ cho kết quả khác nhau Đối với mỗi một biến, do được đo lường bằng các đại lượng khác nhau (ví dụ: biến nhiệt

độ được đo bằng độ C, mức độ ảnh hưởng; hoặc chỉ số AC được đo bằng các yếu tố về kinh tế

xã hội) Vì vậy, để có thể đánh giá được ta phải đưa các đại lượng về một trục (cùng một đơn vị) Đơn vị ở đây chính là chỉ số đánh giá Vì vậy, ta áp dụng công thức (2) để chuẩn hóa các chỉ số

ij i Min ij



Trong đó:

- Zij: Giá trị được chuẩn hóa ở loại i của

vùng j;

- Xij: Giá trị chưa được chuẩn hóa ở loại i

của vùng j;

- Xi Max: Giá trị lớn nhất của chỉ số (của

lớp thông tin);

- Xj Min: Giá trị nhỏ nhất của chỉ số;

c Quy trình nghiên cứu

Trên cơ sở tổng hợp các phương pháp đánh

giá tính dễ bị tổn thương của hệ sinh thái trên

thế giới và ở Việt Nam kết hợp với việc xác lập

các cơ sở khoa học cho đánh giá tính dễ bị tổn

thương của các hệ sinh thái ở đới bờ biển Thành

phố Hải Phòng tỷ lệ 1:100.000, quy trình

nghiên cứu được xác định như hình 3

3 Cơ sở tài liệu phục vụ nghiên cứu

Dữ liệu phục vụ cho việc nghiên cứu đánh

giá tính dễ bị tổn thương của các hệ sinh thái ở

đới bờ biển Thành phố Hải Phòng gồm có: 1) Các tài liệu, công trình khoa học, bài báo công

bố trong nước và quốc tế có nội dung liên quan đến đánh giá tính dễ bị tổn thương, đặc biệt là đánh giá tính dễ bị tổn thương của các hệ sinh thái; 2) Kịch bản biến đổi khí hậu của khu vực Hải Phòng đến năm 2050 do bộ Tài nguyên và Môi trường - Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi Trường xây dựng và công bố năm

2012 [18]; 3) Bản đồ địa hình tỷ lệ 1:50.000 và bản đồ đường đẳng sâu tỷ lệ 1:25.000, do bộ Tài nguyên và Môi trường - Cục đo đạc và bản

đồ xây dựng 4) Số liệu tổng cục thống kê 5) Bản đồ quy hoạch phát triển không gian Thành phố Hải Phòng đến năm 2020 do Thành phố Hải Phòng công bố

4 Kết quả nghiên cứu

4.1 Xác định các chỉ số trong đánh giá tổn thương hệ sinh thái

Để đánh giá tính dễ bị tổn thương, nghiên cứu đã xác định các chỉ số chính S, E, AC và nhóm các chỉ số phụ tương ứng (Bảng 1)

Hình 3 Sơ đồ quy trình nghiên cứu

Bảng 1 Các chỉ số trong đánh giá tổn thương HST

STT Chỉ số chính Chỉ số phụ Ý nghĩa

1

Chỉ số nhạy

cảm S

(Sensitivity)

Chỉ số tiếp cận giao thông

Chỉ số này thể hiện càng gần hệ thống giao thông, hệ sinh thái càng dễ nhạy cảm

2 Ảnh hưởng của các khu

dân cư

Chỉ số xác định: càng gần khu dân cư đô thị HST càng dễ nhạy cảm

3 Ảnh hưởng của các khu

công nghiệp

Thể hiện mức độ nhạy cảm của các hệ sinh thái đối với việc phát triển các khu công nghiệp (Càng gần các khu công nghiệp chỉ số nhạy cảm càng cao)

4 Mức độ phụ thuộc của

cộng đồng

Thể hiện mức độ phụ thuộc trong sinh kế đối với HST và tài nguyên (Chỉ số được xác định từ số lao động nông, lâm, ngư/tổng dân số)

5 Chỉ số phơi

nhiễm E

(Exposure)

Nước biển dâng đến

2050

Xác định mức độ ảnh hưởng của nước biển dâng đối với các HST

6 Biến đổi nhiệt độ đến

2050 Xác định mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ đối với các HST

7 Chỉ số khả

năng thích ứng

AC (Adaptive

capacity)

Độ dốc HST của những khu vực có độ dốc càng cao càng có khả năng thích ứng

8 Hình thái HST có cấu trúc dài và phân mảnh có khả năng thích ứng

kém hơn những vùng lõi tập chung

4.2 Chuẩn hóa chỉ số sử dụng công cụ GIS

Chỉ số nhạy cảm S: Chỉ số nhạy cảm thể

hiện mức độ nhạy cảm của hệ sinh thái đối với

các tiêu chí đưa ra Những khu vực có chỉ số

của các tham số càng cao thể hiện tác động tiêu

cực đến hệ sinh thái càng lớn Chỉ số nhạy cảm được tính từ các biến bao gồm: Khoảng cách ảnh hưởng của giao thông, Khoảng cách ảnh hưởng của khu dân cư, Khoảng cách ảnh hưởng của khu công nghiệp, Mức độ phụ thuộc của cộng đồng (hình 4, 5)

Hình 4 Chỉ số ảnh hưởng của khu dân cư

Hình 5 Chỉ số mức độ phụ thuộc của cộng đồng

Chỉ số phơi nhiễm E: Nghiên cứu đã đưa

hai chỉ số chính mực nước biển dâng, mức tăng

nhiệt độ so với thời kỳ 1980 - 1999 theo kịch

bản phát thải trung bình (B2) vào để đánh giá

tính dễ bị tổn thương Chỉ số phơi nhiễm tính từ các biến: Mực nước biển dâng TB đến năm

2050, Mức tăng nhiệt độ TB đến năm 2050 (hình 6, 7)

Hình 6 Chỉ số mực nước biển dâng TB đến năm 2050

Hình 7 Chỉ số mức tăng nhiệt độ TB đến năm 2050

Khả năng thích ứng AC: Khả năng thích

ứng của hệ sinh thái càng lớn thì càng ít bị dễ

tổn thương Nghiên cứu áp dụng chỉ số

Area-Weighted Mean Shape Index (AWMSI) để tính

chỉ số hình thái của các hệ sinh thái AWMSI

bằng trung bình “chỉ số hình dạng” của các HST có hình dạng tương ứng với mỗi chỉ số hình dạng Chỉ số AWMSI càng lớn thể hiện hình dạng của HST càng dài, càng dễ tổn thương (hình 8)

Hình 8 Chỉ số hình thái

Hình 9 Chỉ số độ dốc

Bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu tính trọng

số cho các chỉ số phụ, xếp hạng trọng số theo ý

kiến của chuyên gia Kết quả tính trọng số được

xác định theo công thức của WWF (2013) [19]

i

n

i

i 1

X

W

X





 (3)

Trong đó:

- W : Trọng số của các chỉ số phụ

- n : Các chỉ số

- Xi : Xếp hạng theo ý kiến chuyên gia

(i=1; 2…n)

Bảng 2 Đánh giá trọng số cho các chỉ số phụ của chỉ

số nhạy cảm S

STT Chỉ số Xếp hạng Trọng số

1 Chỉ số tiếp cận giao

thông 2 0,125

2 Ảnh hưởng của các khu

dân cư 5 0,3125

3 Ảnh hưởng của các khu

công nghiệp 4 0,25

4 Mức độ phụ thuộc của

cộng đồng 5 0,3125

Bảng 3 Đánh giá trọng số cho các chỉ số phụ của chỉ

số phơi nhiễm

STT Chỉ số Xếp hạng Trọng số

1 Nước biển dâng đến năm

2 Biến đổi nhiệt độ đến năm 2050 3 0,5 Bảng 4 Đánh giá trọng số cho các chỉ số phụ của chỉ

số khả năng thích ứng (AC)

STT Chỉ số Xếp hạng Trọng số

1 Độ dốc 4 0,44

2 Hình thái 5 0,56 Bảng 5 Đánh giá trọng số cho chỉ số tính dễ bị tổn

thương (V)

STT Chỉ số Xếp hạng Trọng số

1 Chỉ số nhạy cảm S (Sensitivity) 3 0,3

2 Chỉ số phơi nhiễm E (Exposure) 4 0,4

3 năng thích ứng AC (Adaptive capacity) 3 0,3

Sau khi xác định được trọng số của các chỉ

số phụ, chỉ số chính được xác định theo công

thức (4) [18]

Chỉ số chính

n

n



 (4)

Trong đó:

- Wi: là trọng số thứ i đã được tính toán của

các chỉ số phụ

- Ai: là giá trị của các chỉ số phụ thứ i đã

chuẩn hóa

- n: là tổng số các chỉ số phụ

Nghiên cứu thu được các bản đồ các chỉ số chính tổng hợp sau (Hình 10)

Bản đồ các biến (tiêu chí) dễ bị tổn thương

cho thấy:

- Theo bản đồ chỉ số nhạy cảm, giá trị chỉ số càng lớn thì mức độ nhạy cảm càng cao Ở phía Bắc khu vực nghiên cứu tập trung nhiều khu công nghiệp, các cảng biển lớn như Đình Vũ, Nam Triệu… ngoài ra, khu vực quận Đồ Sơn có khu công nghiệp Đồ Sơn, bãi tắm cũng gây tác động tiêu cực đến các hệ sinh thái lân cận nên chỉ số nhạy cảm rất cao Càng ra xa, mức độ nhạy cảm càng giảm

Chỉ số khả năng thích ứng AC tổng hợp

Chỉ số nhạy cảm S tổng hợp Chỉ số phơi nhiễm E tổng hợp

Hình 10 Các chỉ số AC, S, E tổng hợp

Hình 11 Bản đồ đánh giá tính dễ bị tổn thương của các hệ sinh thái

ở đới bờ biển Thành phố Hải Phòng

- Theo bản đồ chỉ số độ phơi nhiễm, giá trị

chỉ số càng lớn thể hiện mức độ phơi càng cao

Chỉ số phơi nhiễm tổng hợp từ hai chỉ số phụ là

chỉ số mực nước biển dâng và mức tăng nhiệt

độ đến năm 2050 Với giả thiết nhiệt độ tăng

đồng đều trong cả khu vực nên độ phơi nhiễm

của các hệ sinh thái với yếu tố tăng nhiệt độ

được coi là như nhau, vì vậy mực nước biển

dâng là yếu tố quan trọng quyết định đến chỉ số

phơi nhiễm tổng hợp Lý do là mực nước biển

dâng làm mất dần diện tích cư trú của các hệ

sinh thái ven biển như: rừng ngập mặn, bãi triều

lầy, bãi cát biển

- Theo bản đồ khả năng thích ứng, giá trị

chỉ số càng nhỏ thì khả năng thích ứng càng

cao Các hệ sinh thái có hình dạng dài và mảnh

có khả năng thích ứng kém hơn các hệ sinh thái

có hình dạng khối Giá trị chỉ số khả năng thích

ứng đa phần cao ở khu vực đới bờ biển Thành

phố Hải Phòng

Nghiên cứu này đã ứng dụng hệ thông tin

địa lý (GIS) chồng xếp trung bình hóa các lớp

chỉ số tổng hợp để thu được bản đồ đánh giá

tính dễ bị tổn thương của các hệ sinh thái ở đới

bờ biển Thành phố Hải Phòng (Hình 11)

5 Kết luận

Cho đến nay, việc đánh giá tính dễ bị tổn thương của các hệ sinh thái còn gặp nhiều khó khăn do hai yếu tố nhạy cảm (S) và khả năng thích ứng (AC) trong nhiều trường hợp rất khó nhận diện một cách chính xác, có những chỉ số phụ có thể được sử dụng trong cả hai yếu tố Tuy nhiên, dù nhìn nhận ở khía cạnh nào thì kết quả của chỉ số tổn thương V không thay đổi (giá trị của S nghịch đảo với giá trị của AC) Nghiên cứu đã xác định được các biến chính và phụ đưa vào tính toán đánh giá tính dễ

bị tổn thương của các hệ sinh thái trong bối cảnh biến đổi khí hậu Thông qua việc chuẩn hóa và tích hợp có trọng số các biến bằng công

cụ GIS đã xác định được mức độ và không gian phân bố tổn thương của các hệ sinh thái đới bờ biển Thành phố Hải Phòng

Kết quả đánh giá tính dễ bị tổn thương của các hệ sinh thái ở đới bờ biển Thành phố Hải Phòng cho thấy: các hệ sinh thái rừng ngập mặn, đầm nuôi tôm có mức độ dễ bị tổn thương mức 4 (cao), đặc biệt là các hệ sinh thái gần khu công nghiệp, các khu dân cư thì mức độ tổn